生物医学专业电子类课程教学模式改革
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摘要随着对生物医学工程专业领域创新型人才的需求不断增加，需要更新教师队伍的教育和教学理念，构建指导性传授知识与主动性学习相结合的互动性专业课程教学模式，在教学过程中着力培养学生的工程实践能力、工程设计能力、思辨和创新能力、终身自主学习能力和自我发展能力，激发学生探究与创新的兴趣，培养学生良好的学习和科研习惯，促进专业课程教学质量和专业人才培养质量不断提高。
0引言
大学本科专业课程教学模式的改革和创新是一项需要顶层设计的复杂系统工程，生物医学工程专业具有理、工、医相结合的交叉学科特点，它应用工程的理论、技术和方法，研究和解决生物医学领域中的科学问题。近些年，随着科学及社会的发展，对这个领域高素质的创新型人才的需求有不断增长的趋势。美国劳工组织的数据显示，生物医学工程专业人才的就业在工程劳动力市场中的增长最大，预计2008年至2018年有72％的增长率。在欧盟，专利的数量在生物医学技术的范畴中也是最高的［1］。医科大学的生物医学工程专业，具有在丰富临床资源的医学大背景和大环境下的特色，需要在教学中体现两个结合，即理工科学与生物医学紧密结合、基础研究与临床实际紧密结合。面对新的形势，只有积极探索并对教学模式进行不断改革才能促使高校培养的人才满足新时代更高的要求。以往的教学模式习惯是以教师为主导，课程教学更多是教师对知识的讲授，缺少对学生创新思维的培养，学生在课堂上是被动灌输，教学效果差强人意。教学工作需要更新整体教师队伍的教育教学理念，构建“指导性传授知识与主动性学习相结合”的互动性专业课程教学模式［2］，既加强教师的个性化指导，也尊重学生个性化发展的要求。本研究团队调研了国内外相关专业教育课程的主要目标和课程设置，学习了国内外生物医学工程实验室主要开展的研究成果以及工程培训的内容［3－5］。国外大多数生物医学工程专业的学生，除了学习数学和基础工程课程之外，还要学习生物电子、生物信息、生物材料或生物力学等专业知识，并且在毕业前有机会在校外相关机构实习或见习，同时许多工程系还会与生物医学工程系在一些项目中联合，以培养更高素质的学生。结合国内实际情况，在电子类课程的教学过程中，重点培养学生的工程设计能力、工程实践能力、思辨和创新能力、终身自主学习能力和自我发展能力，激发学生探究与创新的兴趣，培养良好的学习和科研习惯，以便不断提高专业课程的教学质量和专业人才的培养质量，实现整体学科的内涵式发展。
1教学模式改革
1、1制定专业课程教学设计方案
“教”是为了“学”，整合化的教学设计理论强调教学条件的确定必须以学习者的学习过程与需求为依据，教师在教学设计时，建立以学生为中心、以学为本的教学观念，依据学科发展，不断挖掘并更新教材中的相关知识点，对专业课程内容的知识结构和脉络体系进行有机整合，培养学生的思辨能力，激发学生的创新性思维。结合调研学习的情况，形成专业课程教学设计方案模板，如图1所示。教学内容与教学活动的设计通常包含7个环节，即回顾知识温故知新、以实例开场引入新课、创设情境提出问题、层层推导突破难点、前后呼应解答问题、应用知识课堂练习、拓展思维延伸课堂。教师在各自教授的专业课程中分别优化教学设计并不断完善，执行顺序可以根据教授内容的不同而有所调整。
1、2改进教学方法
结合专业特点将全部专业课程按照年级进行顶层设计，大学二年级通过3门专业基础课程提高学生自主学习的能力，大学三年级通过7门专业课程培养学生探究学习的能力和思辨能力，大学四年级通过3门专业课程提高学生解决实际问题的能力，以便为完成毕业设计奠定良好的基础。以理论和实践相结合为中心，倡导自主性、研究性和创造性的学习。授课过程中，授课内容上充分体现理论和实践的紧密联系，引导学生在学习过程中积极思考；授课方法上多采用启发式、讨论式及案例分析式等教学方法，以促进学生对基础知识的理解，能够运用知识创造性解决实际问题。教学方法的改进，不仅要求教师具备创新意识和积极进取的精神，还要求教师具有很强的工程实践能力［6］。本着继承和创新的原则，对大学二年级的电工与电路分析、模拟电子技术、电子技术实验3门课程的教学内容进行整合和规划［7］，挑选出一些适合自主学习的知识点或者课程章节内容。如在电工与电路分析课程中，结合4大模块（电阻电路的时域分析、动态电路的时域分析、动态电路的变换域分析、电机原理）的教学基本内容所涉及的知识结构，挑选出“无源器件的认识”、“步进电机的原理及应用”、“常见电机原理及应用”、“对偶性的理论知识与分析方法”、“含受控源电路分析方法的总结”、“戴维南定理的应用意义”、“相量的定义、使用和意义”、“MATLAB在电路分析中的应用”、“使用Multisim进行电路仿真”、“一阶电路和闪光灯电路的原理分析及仿真”和“RLC电路的动态特性综合研究与仿真”共计11个知识点，培养学生自主学习的能力。首先在授课前，将相关学习资源上传至各课程的网络平台上，提出若干个难度适中的问题，并对自主学习提出具体的要求。然后根据学生意愿或随机分成几个小组，每个小组针对某个问题查阅文献资料，通过对所查资料的分析、整理、归纳，制成PPT课件。前期准备好后，在课堂上每小组派出代表分别演示并讲解10min左右，教师与学生共同针对其演讲的内容进行提问和讨论。最后教师对所涉及的知识范围和讨论热点进行总结，并对学生讲不清楚的或者理解有偏差的问题进行补充和更正。这个过程以学生自主学习为主，教师起辅助指导作用，可以事先讲解课题分析的方法、提供必要的相关资料、介绍必备的专业背景知识，既要让学生领会课程的知识重点和应用领域，又要充分激发学生的学习兴趣。大学三年级有信号与系统、数字信号处理、脉冲数字电子技术、医用传感器、单片机原理与应用、电子学测量方法和电子工艺实习7门课程，在理论课的教学方式上，采取教师讲授与学生交流讨论并重的方法进行。针对基本原理知识，教师重点讲授，采用启发式、推理式及案例分析式等教学方法，引导学生积极思考，激发学生的学习热情和兴趣。如在数字信号处理课程中，将功能电刺激研究课题的成果作为一个实例，讲授功能电刺激实现膀胱排尿功能障碍治疗的原理和方法，并加深医学信号处理理论在本专业领域的重要作用。例如，在信号与系统课程中，将拉曼光谱研究课题的成果作为讲授卷积和反卷积的一个实例，将公式和概念与实际应用结合起来，通过反卷积解决基地信号不一致的问题，确保信号处理和特征提取的可靠性，为实现疾病的可靠诊断提供条件。如在脉冲数字电子技术课程中，利用“雨课堂”平台，新增“发现生活中的数电”专题，引导学生自主学习生活中比较常见的数字电路应用实例，介绍其电路功能、电路结构、工作原理、应用范围等。又如在单片机原理与应用课程中，教师在课堂上现场演示“电子节能定时转换器”等工程产品工作过程，帮助学生通过实践体验，进一步理解单片机功能和工作原理，同时引导学生观察学校食堂切面机器人等日常场景中的应用，以及观看该领域最新流行技术（Arduino开源硬件平台）应用视频，自行分析感兴趣的单片机应用实例的工作原理、可能出现的问题等，从而加深对知识点的理解和掌握。在实验教学中，针对基本原理设计实验方案及技术路线，主要采取探究型教学方式，通过讨论交流，让学生主动探索知识、培养创新思维和思辨能力。如针对数字信号处理课程的实验教学内容，采用探究式教学方式，改变传统实验过程，以教师为主导，结合理论课教学内容，合理地设计实验方案，以学生为主体展开实验，使过去被动式的实验教学方式变为学生主动设计实验过程，独立完成实验内容，并撰写论文式实验报告进行归纳和总结。整个实验过程相对独立、开放，从实验的预习、操作到最终的实验报告撰写全部以学生为主体，一方面可以更好地与理论课内容相结合，验证相关原理和方法，达到提高教学质量的目的；另一方面加深了学生对所学知识的理解，激发了学生的学习兴趣，培养了独立分析问题、解决问题的能力。依据大学四年级的医学仪器原理与实验、嵌入式系统原理与应用、临床工程学3门课程特点，给学生提供若干个小项目，在学生明确要解决的问题后，教师指导学生对项目需求进行详细的分解，同时列出要用到的专业知识点，引导学生寻找每个问题的解决方案和技术路线。将解决问题的实践与理论的知识点密切结合，这种项目式学习、协作式学习或问题式学习对于促进学生深刻理解专业知识并解决实际问题具有重要意义［8］。学生边学习边设计，逐步实现项目的全部功能。如在嵌入式系统原理与应用课程教学中，涉及嵌入式文件系统和Android嵌入式系统及应用开发的理论部分，配合Android界面设计实验和Android应用程序设计及医疗平板应用实验两个综合性项目。最终要求学生设计一个人机交互UI界面，并对学生的设计成果，检查验证其正确性和可靠性。同时，借鉴国内外生物医学工程教育教学经验，结合医学院校的特点，从创新实验室和第二课堂、学生科研训练等方面开辟生物医学工程专业课外教学的形式和内容，以弥补课堂教学的不足，为培养合格的、创新的应用型人才提供帮助［9］。
1、3改革考核方式
区别于传统的“一张试卷定乾坤”，为了促进自主学习的开展，对学生的学业进行全方位考核。结合调研学习的情况，加大过程考核的比例，拟定各门课程的考核方案。加大专题讨论、探究学习、项目设计等学习模式的比重，注重学生在整个学期的过程考核，激励学生在学习过程中逐步培养各项能力和素质。如电子学测量方法课程的考核方案为综合考察，即实验占30％，协作学习占30％，闭卷考试占40％。协作学习有两部分内容，第一部分为电子测量的新进展和新应用，第二部分涉及示波器原理及测量方法。要求以小组为单位，课下自主学习，课上汇报讨论。图2所示是这门课程协作学习组内自评评分表，图3是这门课程第一次协作学习的课堂汇报评分表。这两部分的成绩，再加上学生完成课下自主学习，并在BlackBoard网络教学平台上网络课程中按时提交PPT的成绩，共同构成协作学习的成绩。
2教学改进成果
进行教学模式改革3年来，收获了良好的教学效果，学生网络评教成绩均在93分以上，同时积累了一些教学改革成果。如电工与电路分析、模拟电子技术、脉冲数字电子技术、电子技术实验课程梯队，累计共获批7项校级教改项目，发表4篇教学文章。又如单片机原理与应用、嵌入式系统原理与应用课程梯队，连续获得网络课程建设、在线开放课程等4个校级项目的资助，发表了3篇关于这两门课程的教学方法探索文章，指导本科生多次参加全国大学生生物医学工程类创新设计竞赛并获奖。再如信号与系统、数字信号处理课程梯队获批2项校级教改项目，发表5篇与教学改革相关的文章，梯队教师荣获2016年全国大学生生物医学工程类创新设计竞赛优秀指导教师和2017年第九届挑战杯首都大学生课外学术科技作品竞赛优秀指导教师的荣誉称号。
3讨论与结论
新一代的生物医学工程师必须面对全世界医疗保健系统的挑战，不仅要支持医疗保健系统中的现有技术，还要开发新的设备和服务。因此，生物医学工程专业的课程必须适应新的需要。学生除了学习数学、物理等基础工程课程之外，也要学习生物电子、生物信息、生物材料和生物力学等领域的专业知识，并且还要学习一些医学基础课程。学生在毕业前有多次机会在校外附属医院的医学工程科、放射科和信息科等相关科室进行实习和见习，同时还会利用科研基础训练项目对学生进行科学研究的基础培训。在学习国内外相关教育教学经验后，提出针对电子类专业课程的的教学模式改革，构建“指导性传授知识与主动性学习相结合”的互动性专业课程教学模式。通过上述专业课程教学模式的系统改革，为学生营造了积极进取的学习环境和求知氛围，促使学生积极主动地学习和探索。通过学习和思考，学生能够系统掌握所学知识理论和技能、梳理知识架构，从而提高运用知识实际解决科学问题的能力。在不断提高教学效果的同时，充分发挥学生学习的主动性、积极性和创造性，提高学生自主学习与研究的能力，培养学生勇于探索、求实创新的良好习惯和终身学习的素养。
作者：薄雪峰 任朝晖 王燕 刘庆凯 张旭 单位：首都医科大学生物医学工程学院
